Ошибка «Марсианина»: почему колонисты не смогут сажать картофель и чем они будут питаться на самом деле
Отправка пилотируемой миссии на Марс, которая планируется ведущими космическими агентствами уже в следующем десятилетии, открывает перед инженерами проблему обеспечения экипажа продовольствием. Расчеты показывают, что обеспечение команды из четырех человек питанием на стандартную двухлетнюю миссию потребует доставки около семи тонн груза. Это и огромные финансовые затраты на запуск тяжелых ракет-носителей, и прямая угроза здоровью астронавтов. Продовольствие, которое хранится в условиях космического полета месяцами или годами, неизбежно теряет свои вкусовые качества и важные питательные вещества. Единственный выход для долгосрочного освоения планет — автономное производство пищи непосредственно на месте высадки.
Однако выращивание сельскохозяйственных культур на Марсе так же очень проблематично: местный грунт, или реголит, полностью не подходит для традиционного земледелия. Он представляет собой мелкую пыль с высокой щелочностью, насыщенную токсичными химическими соединениями, такими как перхлораты. В нем полностью отсутствуют биодоступные формы азота и фосфора, без которых невозможен рост ни одной земной культуры. Использование реголита в его естественном виде приведет к гибели любых семян.
Исследователи из Бременского университета разработали технологию, которая позволяет обойти это. Суть метода заключается в использовании многоступенчатой биохимической переработки. Процесс разделен на три основных этапа: выращивание первичной микробной биомассы, ее бескислородное разложение в жидкое удобрение и последующее использование этого раствора в гидропонных системах для выращивания съедобных растений.
Первый этап: первичная фиксация элементов
На первом этапе используются цианобактерии. Данные микроорганизмы способны развиваться, используя исключительно доступные марсианские ресурсы: солнечный свет, воду, а также углекислый газ и азот, которые можно извлечь из атмосферы планеты. Кроме того, цианобактерии способны получать базовые неорганические элементы непосредственно из реголита.
Проблема заключается в том, что высшие съедобные растения не обладают механизмом прямого усвоения такой бактериальной биомассы. Сложные органические соединения цианобактерий необходимо предварительно расщепить на простые неорганические вещества — аммоний и растворимые фосфаты, которые смогут поглощать корни сельскохозяйственных культур.
Второй этап: анаэробное сбраживание и оптимизация параметров
Для решения задачи расщепления биомассы инженеры применили метод анаэробного сбраживания. Это технология разложения органики в бескислородной среде с помощью сообщества различных бактерий и архей. В условиях космической базы такой подход имеет ряд строгих преимуществ: он надежен, требует минимального контроля со стороны экипажа и попутно генерирует метан, который можно очищать и использовать в качестве ракетного топлива или источника энергии для систем жизнеобеспечения.
Чтобы адаптировать этот процесс к условиям замкнутой марсианской базы, исследователям потребовалось провести серию экспериментов для выявления оптимальных параметров работы системы.
Предварительная подготовка биомассы
Выяснилось, что цианобактерии нельзя просто поместить в реактор. Их клеточные структуры слишком устойчивы к быстрому ферментативному разложению. Наилучшим способом предварительной подготовки оказалось автоклавирование — термическая обработка под высоким давлением при температуре 121 градус Цельсия в течение двадцати минут. Это физически разрушает клеточные стенки микроорганизмов и высвобождает органический углерод, делая его доступным для последующей переработки.
Температурный контроль и расчет объемов
Инженеры установили строгий температурный режим. Максимальная эффективность переработки достигалась при постоянной температуре в 35 градусов Цельсия. Любые существенные отклонения от этого показателя приводили к замедлению метаболизма микроорганизмов в реакторе. Помимо этого, исследователи выявили четкую линейную зависимость между массой загружаемых цианобактерий и количеством получаемого на выходе аммония. Это крайне важный результат для инженерного проектирования: зная точную суточную потребность будущей колонии в удобрениях, инженеры могут математически точно рассчитать необходимые габариты и мощность биореакторов, исключив создание избыточных систем.
Проблема прямого использования марсианского грунта
Самым сложным этапом исследования стала интеграция марсианского грунта в процесс переработки. В первоначальных тестах инженеры добавляли точный физико-химический аналог марсианского реголита (MGS-1) непосредственно в резервуар биореактора, ожидая, что микроорганизмы будут постепенно извлекать из него нужные микроэлементы. В результате раскрылись серьезные химические и биологические конфликты.
Аналог реголита содержит большое количество сульфатов. Попадая в жидкую питательную среду, они спровоцировали активное размножение специфических сульфатредуцирующих бактерий. Эти микроорганизмы начали вытеснять полезную микрофлору реактора и стали выделять сероводород — токсичный газ, который напрямую подавляет процессы расщепления биомассы.
Более того, эксперимент выявил критическую химическую реакцию: оксиды железа, в изобилии присутствующие в марсианском грунте, вступали в контакт с выделяющимся в реакторе фосфором. В результате образовывались нерастворимые кристаллические соединения. Фосфор, жизненно необходимый для формирования удобрений, блокировался в твердом осадке на дне резервуара и становился недоступным для дальнейшего использования.
Чтобы устранить эту проблему, исследователи полностью изменили подход. Вместо прямого смешивания грунта с бактериальной культурой, они стали производить водную вытяжку. Инженеры пропускали воду через реголит при высоких температурах. Жидкость вымывала из породы только легкорастворимые элементы, оставляя опасные соединения железа в твердом остатке. Использование такой вытяжки, обогащенной небольшим количеством дополнительных микроэлементов, позволило полностью стабилизировать химический состав внутри реактора, восстановить выработку фосфатов и даже увеличить объемы производства сопутствующего метана.
Третий этап: гидропоника и результаты культивации
Финальным этапом тестирования стала проверка полученного жидкого удобрения, которое называют дигестатом, на реальных растениях. Для проведения тестов была выбрана ряска (Lemna sp.). Это небольшое водное растение на сегодняшний день считается одним из наиболее перспективных видов для космического земледелия. Ряска почти полностью состоит из полезной съедобной биомассы, не имеет тяжелых несъедобных стеблей или корневых систем, крайне быстро размножается и отличается исключительно высоким содержанием белка.
Процесс выращивания ряски на бактериальном удобрении потребовал решения еще одной технической задачи, связанной с кислотностью среды. Растения получали азот из дигестата в форме аммония. При активном поглощении ионов аммония корневой системой происходит химический дисбаланс, в результате которого водная среда стремительно закисляется. Резкое падение уровня pH в тестовых резервуарах приводило к остановке клеточного деления и гибели ряски. Для нейтрализации этого эффекта инженерам потребовалось ввести в питательный раствор специальный карбонатный буфер и повысить концентрацию углекислого газа в изолированной атмосфере над растениями до 15 процентов.
После стабилизации уровня кислотности результаты культивации подтвердили работоспособность всей концепции. На каждый грамм сухой массы переработанных цианобактерий гидропонная система произвела 27 граммов свежей растительной биомассы ряски. В абсолютных значениях этот показатель составляет примерно половину от той урожайности, которую ряска демонстрирует в идеальных лабораторных условиях Земли при использовании высокоэффективных синтетических удобрений. Однако для полностью автономной системы, химические компоненты которой производятся исключительно из локальных инопланетных ресурсов, это объективно высокий показатель.
Значение для будущих миссий
Данное исследование формирует научно-инженерный подход к проектированию систем жизнеобеспечения для космических баз. Оно доказывает, что обеспечение астронавтов продовольствием не может опираться на попытки адаптировать традиционные земные сельскохозяйственные методы к суровым условиям других планет.
Устойчивая колонизация потребует создания строго контролируемых, многоуровневых биохимических систем. В этой технологической цепочке специализированные микроорганизмы становятся обязательным промышленным инструментом, который выполняет функцию химического преобразователя. Только трансформируя агрессивную неорганическую среду Марса в доступные питательные ресурсы через контролируемый бактериальный распад, можно создать систему автономного земледелия, способную поддерживать присутствие человека в глубоком космосе.
Источник:Chemical Engineering Journal
